34微纳卫星用空芯磁扭力器的设计与实现张凌云（广州民航航天学院仪器科学与光电工程大学，新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，上海）摘要：姿态控制系统（ＡＣＳ）是卫星必不可少的组成部份，而磁扭力器就是其中一种重要、可靠的姿控执行元件。本文设计并实现了一种用于微纳卫星上的空芯磁扭力器。按照通电缆线圈在磁场中有洛伦兹力形成的原理设计了线圈及线圈骨架。借助PWM原理制做出线圈驱动电路及电压测量电路，实现了磁扭力器电压的幅值可测、方向可控。借助软件仿真了轨道中磁扭力器形成的扭矩曲线。实验表明该磁扭力器帧率小、剩磁小，可以挺好地满足微纳卫星的姿控要求。字：微纳卫星，姿态控制，磁扭力器，电压测量中图分类号：V423.4+3文献标示Micro/Zhang,GuoLei,Yang(NovelKey,Opto-g,,,China）:(ACS)partusedmicro/paper.when,,which.show,small.keywords:Micro/Nano卫星的姿态控制系统在卫星的飞行中有重要的作用，它能确保卫星在实际飞行中对姿态的要求，进而完成设定的任务。
而其中借助地磁场来控制卫星姿态是一种简单、可靠的方式，这些方法尤其适宜于月球低轨道卫星的姿控系统，磁力矩器就是借助这些方式来实现卫星姿态控制的主要执行部件。借助磁扭力器来控制卫星姿态的优点在于硬件简单、没有质量变化问题。相比于喷气系统和动量轮，它的造价低、重量轻、功耗小、寿命长、不消耗燃料，且由于它没有活动部件，可靠性高，通常卫星就会将其作为最小控制系统的首选。随着微小卫星技术的迅速发展，人们对其姿控系统提出了更高的要求，希望姿控系统更简单、可靠。在这些情况下结构简单、重量轻、节省能源的磁扭力器在微小卫星的姿态控制中应用就更广泛了。国内也出现了专门生产磁扭力器的公司，、,、、、等，但是它们的产品基本上都是磁扭力棒，形成的扭矩比较大，质量也比较大，适用于对剩磁要求不高的大型卫星。而这些质量更小、对剩磁要求更严格的纳星则大部份都采用空芯磁扭力器，因而很有必要强化对高可靠性的空芯磁扭力器的研发工作。本文先介绍了磁扭力35器的工作原理磁力矩的方向判断，此后给出了磁扭力器的设计方案磁力矩的方向判断，最后给出了实物的测试结果。
通电回路在磁场中的受力情况通电回路在地磁场中的受力情况如图轴为转动轴，且与磁场的倾角为α。由受力剖析易知其在轴方向的扭矩如下式所示;其中A为有效面积。一般磁矩定义为：空芯磁扭力器设计2.1空心磁扭力器线圈设计是三轴磁扭力器卸载磁矩与卸载时间的关系，可看出，磁矩在1.Am即可满足要求。考虑到微纳卫星对质量及帧率的要求，本磁扭力器的额定磁矩选为1.5三轴磁扭力器卸载磁矩与卸载时间曲线根据卫星的外型，空芯磁扭力器的形状一般选为方形或圆形。考虑到星系的一体化，本磁力矩器线圈拟采用磁线圈的固定形式(图3)，固定在卫星的外壳内壁上。磁线圈安装位置对圆形线圈，其磁矩MAm)及功率P和质量W()之积的表达式分别如下：由以上式可知，当磁矩已知时，磁扭力器的功率和质量之积与线圈周长成正比，与导线内阻率和质量密度的乘积成反比。所以，为了减少功率质量之积，需使线圈面积尽可能大，且采用ρσ值较小的导线。卫星上的供电电流只有几个固定值可供选择，电压的幅值也有限制，所以选择导线时需权衡各诱因，作出最合适的选择。综合考虑以上各诱因，这儿选用线径0.2mm的共聚物铜导线。
由帧率与质量的要求及帧率和质量曲线(图4)可见，取帧率0.44W比较合适。在此基础上估算得出：线圈平均面积取为300801001201401601802000.350.40.450.50.550.60.650.70.750.812v,0.2mm,m=1.质量(g)帧率质量-帧率曲线36265mm，电流取12V，绕制493圈，电压约42mA，形成磁矩为1.64Am。由于控制电路部份会有压降，所以作用在导线上的电流要比12V小，实际形成的磁矩将会比估算值小。线圈骨架设计由于如图3中的一体成形技术成本偏高，且不利于面板和磁扭力器单独的实验测试，所以本磁扭力器骨架的设计需满足既可单独做实验，又可安装到卫星的外壳上，且骨架材料不能是磁性材料。因而这儿选用硬铝作骨架材料(需注意，各联接件都不能为磁性材料)。线圈骨架设计为十字架支撑，四个身上接缠线槽，表面进行绝缘氧化。缠线槽上有螺丝孔，可以用螺丝和十字架固定在一起，便捷缠线及做实验。实际安装到卫星面板上时，把十字架去除，用螺丝把缠线槽固定到卫星面板上，这样既节省空间又减少重量。
由于支撑架不会安装到卫星上，因而不须要采用特殊材料，只要硬度和规格符合即可。实物见图5。磁扭力器线圈2.2控制电路设计本磁扭力器的电路部份须要完成电路驱动、电流检测功能，因而电路分为两部份，一部份通过姿轨控下位机来控制磁扭力器是否工作，另一部份则检测通过磁扭力器线圈的电压.驱动控制电路原理驱动控制电路的作用就是由计算机的指令形成出对应的驱动线圈的电压。常见的控制方法主要有电压时间控制和电压幅度控制。电压时间控制是依据星上计算机输出的信号来形成不同长度的脉冲，因而控制磁矩形成的时间。电压幅度控制则是将星上计算机输出的数字讯号转化为模拟电流，再经功率放大后驱动线电压时间控制方式的优点是电路简单，帧率较小，与上位机的插口简单。并且只能形成确定的磁矩，因而使控制算法比较复杂。而后一种方法的输出电流可调，所以可形成大小变化的磁矩，控制算法比较简单，而且电路比较复杂，且帧率较大。综合以上两种方式，且结合卫星对本磁扭力器的要求，本电路采用一种新的控制方式。直流马达、马达多采用桥、PWM控制方式来控制其电压的大小，这些方式也可用于磁扭力器，且既可以控制时间又可以控制幅值。
驱动电路的设计H桥电路可以采用分离元件搭建，而且这些方式容易导致电路容积减小，结构复杂以及可靠性增长等问题，因而这儿选用德国国家半导体公司(NS)智能功率集成电路来作为驱动芯片。此芯片可实现马达的全桥驱动、过流保护、过热保护、欠压保护、防止对管直通等功能，充分体现了集成功放电路性能可靠、控制功能全面的特点。电路原理图如图6。检测电路的设计此部份电路要完成对通过线圈的电压的检测功能。由于直接检测电压很不便捷，所以改为测量电流。选择一个小阻值与线圈串联，通过检测内阻上的电流来得到线圈电压。此小阻值上的压降很小，而串扰电流很大，且电路的噪音也比较大，普通的差动放大电路测量疗效不理想。这儿选用高档电压测量芯片，此芯片是ADI公司推出的单电源高性能差分放大器，其串扰电压输入范围为-2V~65V，固定增益为50，在直流的频带范围内具有高达80dB抑制比，适用于在高纹波电流下测量小差分电流的设备，广泛应用于电磁系统、液压系统、电机控制及车辆电气控制等系统中。总电路原理图如7。的参考电流端需给+1.9V，当端电流小于IN-端电流时，输出小于1.9V，当IN+端电流大于IN-端电流时，输出大于1.9V。这儿的+1.9V可通过+5V分压得到。37控制程序下位机发送控制指令给，线圈通电，形成转矩，检测电流放大后取样给下位机，经查表得出电压(这儿须要标定出检测电流对应的电压)，跟设定值相比较，得到差值，相应改变